一种改进型混合级联多电平有源电力滤波器的研究

# 技术文库 2012-11-01 08:54 来源：中国电力电子产业网

　　摘要：本文提出了一种改进型混合级联多电平有源电力滤波器的新拓扑，并对其工作原理做出介绍。该有源电力滤波器由电流源部分与电压源部分相串联组成，其中电流源部分为传统的PWM 变换器，电压源部分为级联H 桥变换器。电流源部分主要用于谐波抑制和无功补偿，电压源部分主要产生基波电压与电网电压相同的27 电平阶梯波。由于电流源此时的工作电压很低，与现有的有源电力滤波器相比，减少了有功损耗，电流源部分功率开关管的工作频率可以更高，抑制高次谐波的效果更好，控制策略相对简单，易于实现。仿真结果证明了该拓扑的有效性和实用性。

　　关键词：混合级联;多电平;谐波检测;电压源;有源电力滤波器

　　引言

　　随着电力电子等非线性负载的使用，电网的谐波污染日益严重，电能质量下降。如何提高电能质量，成为目前研究的主要问题。有源电力滤波器(APF)能够动态抑制谐波补偿无功，响应速度快，实时动态连续补偿，成为关注的重点[1-4]。目前广泛应的有源电力滤波器的拓扑主要有两种：混合结构和多电平级联结构。其中有源无源混合结构无源部分LC 连接选取困难，难以实现对基波无功的大容量补偿，并且有源无源配合控制复杂[5-7]。多电平级联结构，由于其整体控制相对简单，易于模块化等特点应用相对广泛[8,9]。

　　传统的多电平级联结构主要具有降低开关管工作电压，容量大，功耗小，响应速度快等优点，但是由于传统的多电平级联结构对于10KV 以上系统需要大量的级联单元，增加了控制的难度，有功损耗也随之增加[10-12]。本文在传统的多电平级联结构基础上,提出了一种改进型混合级联多电平结构。该结构除了具有传统结构的优点之外，电压源部分三个H 桥共用一个直流侧电容，不需要考虑控制多个电容均压问题，其控制相对简单[13-16]。另一方面由于只有一个直流侧电容，不需要外部均压电路，该拓扑能够有效减少经济成本。电流源部分开关管工作电压更低工作频率高，谐波补偿电流更大，功耗较小等优点。

　　1.1 电压源工作原理

　　电压源部分由3 个H 桥级联，3 个H 桥共用一个直流电压源。每个H 桥交流侧可以输出+Udc,0,-Udc;再通过改变H 桥交流输出侧变压器的变比，就可以利用很少的H 桥得到很多的电平数。本文中3 个H 桥的变比依次成3 倍关系，从而根据表1 组合可以得到27 电平，使基波电压更加正弦化，质量更好。根据计算得出输出电压基波有效值和直流侧母线电压的关系为：

　　从(1)可以看出，当K 一定时，输出基波电压有效值和直流母线电压成正比。当电网电压大幅波动时，通过调节直流母线电压就可以使混合级联多电平变化器的输出基波电压随电网电压一起变化。

　　由图 2 可以看出，电压源部分产生的27 电平阶梯波可以使电网电压正弦波从每个阶梯的中点穿过，从而可以得出此时电流源部分所承受的电压为台阶的一半。

　　1.2 电流源工作原理

　　改进型混合级联多电平有源电力滤波器的电流源部分的工作原理与传统的并联型有源电力滤波器基本相同。利用PWM 变换器输出电流的有功分量控制电压源直流母线电压dc U ,PWM 变换器以检测到的谐波和无功电流总和为指令电流，产生相反电流注入电网，与负载产生的谐波和无功电流相抵消。

　　2 控制策略

　　改进型混合级联有源电力滤波器的控制策略较为简单。其中补偿电流的检测计算使用的是应用相对成熟的基于鉴相器原理的谐波电流计算方法，电流电压采用传统的PI 闭环控制策略。

　　2.1 无功和谐波电流的计算

　　经过锁相环可以得到与电网电压同相位同频率幅值为1 的正弦信号

　　3 系统仿真分析

　　本文利用MATLAB 进行了系统仿真验证。设单相电网电压为50 HZ 的交流电，有效值为5773 V。选取K =1，根据公式(1)得dc U 为604 V 而27 电平的每个台阶电压差也为604 V，所以电流源部分母线电压为600V。

　　图8(a)为并网电流为零时，电网电压、电压源电压、以及电网电压与电压源电压之差。由图8(a)可以看出当电网电压为10KV 时，单相的电流源两端所承受的电压很低为300V。图8(b)为并网电流为零时电压源电压的FFT 分析，可以看出，电压源电压基波的THD=3.06%。

　　仿真时，将电网电压经过比例环节缩小为原来的0.005 倍作为相位参考。图9(a)为系统未加入补偿装置时电网电流与电网电压稳态波形;图9(b)为未加补偿装置时电网电流的FFT 分析，此时电网电流的THD=27.30%;图9(c)为将补偿装置投入稳定后系统电网电压与电网电流的波形;图9(d)为对补偿过后稳态时电网电流进行FFT 分析，此时电网电流THD=1.18%。根据以上分析可以看出改进型混合级联多电平有源电力滤波器具有良好的谐波抑制和无功补偿特性。

　　图10(a)为系统启动时动态响应过程。图中从上至下依次为0.005 倍的电网电压与电网电流波形，检测电路得到的无功和谐波电流总和以及APF 装置产生的补偿电流。在0.06s 时将补偿装置投入到系统中，经过0.01s，补偿过后的电网电流达到稳态。图10(b)为系统负载增加和减少时动态响应过程。图中从上至下依次为0.005 倍的电网电压与电网电流波形，检测电路得到的无功和谐波电流总和以及APF 装置产生的补偿电流。在0.16s 时将负载突然增大，在0.19s 时负载达到稳态，而电网电流在负载达到稳态后的0.01s 达到稳态。在0.26s 时将负载突然减小，在0.3s时负载达到稳态，而电网电流在负载达到稳态后的0.01s 达到稳态。仿真结果表明改进型混合级联多电平有源电力滤波器具有良好的跟踪特性。

　　4 结语

　　本文提出了一种基于混合级联多电平逆变器的新型APF，与传统级联型APF 相比，在提高了功率开关管的工作频率的同时还能有效减少有功损耗，补偿电流更大，高次谐波较少。仿真结果表明该拓扑滤波和无功补偿效果以及动态响应效果都较为理想。今后可以对该拓扑进行实验验证，并对其控制策略进行改善以进一步提高系统的实用性。

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